金属卤化物α-FAPbI₃钙钛矿半导体具有优异的光电性质，如长的载流子寿命、高的迁移率和宽的光谱吸收范围，因此该类材料表现出优异的光伏性能。然而，由于FA⁺离子的半径过大，使得钙钛矿中的PbI₆八面体会发生晶格畸变，导致具有强光学活性的“黑相”α-FAPbI₃在室温下热力学不稳定，会迅速自发地转变为弱光学活性的“黄相”δ-FAPbI₃。研究发现，“黑相”α-FAPbI₃钙钛矿在常温环境下极易变为黄相。

        理论研究表明，可以通过晶格扩张释放FAPbI₃钙钛矿中的晶格应力，以提高其“黑相”的稳定性。基于此，我院钙钛矿材料与器件团队研发了低成本空气退火处理工艺，成功将“黄相”的δ-FAPbI₃单晶直接转化为“黑相”的α-FAPbI₃单晶。研究结果表明，退火后的FAPbI₃晶格发生明显膨胀，因此退火后的FAPbI₃单晶可在空气中一直保持强光学活性的黑相（目前已经跟踪监测500多天）。研究还发现，在退火过程中FAPbI₃单晶的不可逆晶格膨胀效应仅在有氧的气氛中发生，而在无氧气氛中退火后仍会快速转变为“黄相”的δ-FAPbI₃钙钛矿。

        因此，基于稳定的α-FAPbI₃单晶设计制备的探测器实现了优异的X射线探测和成像性能，如4.15×10⁵ μC Gy_air^-1 cm^-2的高灵敏度、1.1 nGy_air s^-1的低检测限、15.9 lp mm^-1的空间分辨率以及低至214 μs的短响应时间。这些优异的性能使得FAPbI₃单晶探测器在低于10 nGy_air s^-1的剂量率下实现了高清X射线成像，成像质量高于目前商用探测器。这一研究结果意味着患者进行一次常规胸透诊断的最小剂量-面积乘积仅为0.048 mGy_air cm²，比国际规定的医疗使用最高值150 mGy_air cm²低3000倍以上。此外，优异的稳定性使封装后的FAPbI₃单晶X射线探测器有望稳定工作超过40年。

        基于以上研究结果，团队于2023年8月30日在国际顶级期刊Science的子刊《Science Advance》刊发文章，报道了这一新型钙钛矿单晶生长设计方法及稳定性提升策略，证实了稳定的FAPbI₃单晶材料能够在超低X射线剂量下实现高分辨率的X射线成像。这一研究结果有望推进未来低成本、高清、安全的射线成像技术开发。

        该工作得到国家自然科学基金、中国博士后创新人才支持计划、中国博士后科学基金、陕西省重点研发计划、中央高校基金、d3顶盛体育官网创新团队等多个项目的支持。此外还得到中国科学院大连化学物理研究所、美国加州理工学院、韩国成均馆大学、西安能材光电科技有限公司的支持。该论文第一作者是我院硕士研究生储德朋和贾彬霞，通讯作者是我院刘渝城研究员、刘生忠教授。

        原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh2255

撰稿：刘渝城   审核：刘治科